DE19630443A1

DE19630443A1 - Hydraulisches Spielausgleichselement

Info

Publication number: DE19630443A1
Application number: DE19630443A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Speil; Dieter Schmidt
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-07-27
Filing date: 1996-07-27
Publication date: 1998-01-29
Also published as: JPH1077810A; KR100293650B1; KR980009765A; US5787850A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Spielausgleichselement, insbesondere für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine.

Hintergrund der Erfindung

Derartige Spielausgleichselemente sind der Fachwelt hinreichend bekannt und müssen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Dabei ist in aller Regel deren Ventilmittel in Richtung zum Vorratsraum durch ein Federmittel beauf schlagt. Während einer Grundkreisphase wird dabei der während einer Hoch druckphase des Spielausgleichselements funktionsbedingt aus seinem Hoch druckraum gepreßte Anteil an Hydraulikmittel über eine Ventilsitzbohrung und das offene Ventilmittel in den Hochdruckraum nachgesaugt. Während dieser Phase findet somit ein Ausgleich aller im Ventiltrieb auftretenden unerwünsch ten Spiele statt. Kommt es nun während der eben genannten Grundkreisphase (bei Spiel = 0) zu unerwünschten Be- oder Entlastungen des Spielausgleichse lements, beispielsweise hervorgerufen durch Transversalschwingungen der Nockenwelle bzw. Unrundheiten des Nockengrundkreises und anderes, so kann dies zum Aufpumpen des Spielausgleichselements und somit zum "Verhärten" des Hochdruckraumes führen. Dieses "Verhärten" kann eine unkontrollierte Entlastung des vom Spielausgleichselement beaufschlagten Gaswechselventils erzeugen. Im ungünstigsten Fall kommt es während der Grundkreisphase sogar zum Öffnen des betreffenden Gaswechselventils.

Da dieser Nachteil der Fachwelt bekannt ist und immer strengere Gesetzgebun gen den Motorenhersteller zwingen die Abgasqualität zu verbessern, hat die Fachwelt bisher versucht, diesen Mangel u. a. dadurch zu beheben, indem sie das Spielausgleichselement während seiner Grundkreisphase geringfügig ela stisch auslegte. Beispielsweise sind hierfür nachgiebige Glieder wie Kolben am Hochdruckraum bzw. dem Ventilschaft zugeordnete, elastisch verformbare Puffer vorgeschlagen. Diese Maßnahmen sind jedoch relativ aufwendig in ihrer Herstellung, da die Toleranzen extrem fein eingestellt werden müssen und nicht garantiert ist, daß diese über die Lebensdauer des Elements hinweg erhalten bleiben. Zusätzlich ist ein unnötiger und masseerhöhender Teileaufwand im Ventiltrieb zur Erzielung des angestrebten Erfolgs notwendig.

Gefördert wird das Auftreten des unerwünschten Entlastens des Ventiltriebs bzw. des Öffnens der Gaswechselventile während der Grundkreisphase noch durch die drastische Reduzierung der Ventilfederkräfte, hervorgerufen durch den Wunsch nach einem möglichst reibungsarmen Ventiltrieb.

Insgesamt gesehen ist bei Auftreten der obengenannten ungünstigen Betriebs zuständen mit einem unrunden Motorlauf, einer schlechteren Abgaszusammen setzung sowie mit Fehlzündungen (Mißfiring) zu rechnen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vor genannten Gattung zu schaffen, bei welcher die aufgezeigten Nachteile beseitigt sind und insbesondere mit geringem Aufwand eine gewisse Nachgiebigkeit des Spielausgleichselements in der Grundkreisphase geschaffen ist, wobei gleichzei tig ein sehr schnelles und sicheres Schließen des Ventilmittels (Kugel) bei beginnendem Nockenhub festzustellen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach den Merkmalen des kennzeichnen den Teiles des Anspruchs 1 gelöst, wobei zweckmäßige Konkretisierungen der Erfindung Gegenstand der Unteransprüche sind, welche auch selbständig schutzfähige Maßnahmen beinhalten können.

Somit ist ein Ventilmittel vorgeschlagen, bei dem auf die bisher verwendete Schließfeder verzichtet wird. Bei Belastung des Spielausgleichselements wäh rend der obengenannten Grundkreisphase ist eine gewisse "Nachgiebigkeit" des Stößels und somit des Ventiltriebs dadurch geschaffen, daß eine Teilmenge an Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum in den Vorratsraum strömen kann, ohne daß das Ventilmittel unerwünscht schließt. Diese Freigängigkeit der Kugel ist durch die Maßnahmen nach Anspruch 1 derartig optimiert, daß mit einem enorm schnellen, sicheren und gleichmäßigen Schließen der Kugel bei Nocken hub zu rechnen ist. Dem Fachmann wird eine Lehre in die Hand gegeben, mittels der er durch Variation der vorgeschlagenen Parameter innerhalb der genannten Bereiche (siehe letzter Absatz des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1) sich stets einen optimalen "Leerhubeffekt" am Spielausgleichsele ment einstellen kann. Dabei ist der Durchmesser d_K der Kugel deshalb in der dritten Potenz aufgeführt, um die starke Masseabhängigkeit der Kugel von ihrem Durchmesser zu berücksichtigen. Gleichfalls ist der Durchmesser d_D des Druck kolbens in der zweiten Potenz genannt, um die starke Druckabhängigkeit von der Fläche zu berücksichtigen.

Mit anderen Worten gesagt, soll nunmehr der Fachmann im Rahmen der vor geschlagenen Parameter die Masse der Kugel sowie deren Abstand zwischen Ventilsitzbohrung und Haltemittel und auch ihre seitliche Freigängigkeit so gering wie möglich gestalten. Somit ist die zum Schließen der Kugel notwendi ge Kraft, bestehend aus dem sich im Hochdruckraum ausbildenden Überdruck sowie der Saugwirkung durch Vorbeiströmen des Hydraulikmittels zwischen Ventilsitz und der Kugel sehr hoch, so daß die Kugel schnell und sicher zu einem definierten Zeitpunkt schließt.

Gleichzeitig ist durch die Maßnahmen der Erfindung gesichert, daß die Lage der Kugel beim Übergang zur Hochdruckphase im Hochdruckraum definiert ist. Der Hubverlauf am Spielausgleichselement ist innerhalb geringer Toleranzbereiche einstellbar. Ebenfalls sind lediglich geringe Erhöhungen der Öffnungs- und Schließrampe gegenüber bisherig ausgeführten Rampen am Nocken erforderlich, so daß mit lediglich gering erhöhten Ventilüberschneidungen zu rechnen ist.

Um auch eine Schließbewegung der Kugel bei Schrägeinbau des Spielaus gleichselements auf kürzestem Wege zu garantieren, ist es in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, diese entgegen ihrer Schließbewegung durch ein Federmittel wie einer kegeligen Schraubenfeder zu beaufschlagen. Dabei wird diese Federkraft derartig ausgelegt, daß unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Federkraft nachteilige Umgebungseinflüsse überwindet.

Gleichfalls ist es vorgeschlagen, einen maximal möglichen Hub der Kugel sehr gering ( 0,3 mm) auszulegen. In diesen Wert ist als Summand eine halbe Toleranz des möglichen Hubes der Kugel integriert.

Das genannte Federmittel kann kugelseitig eine vergrößerte Windung besitzen, über die eine hervorragende Fixierung und Zentrierung der Kugel geschaffen ist. Gleichzeitig kann das der Kugel abgewandte Ende des Federmittels in seinem Auflagedurchmesser größer ausgestaltet sein als der Durchmesser der Ventilsitz bohrung, so daß diese in gewissen Teilbereichen kegelig gefertigt ist.

Zur Fixierung des Federmittels in Hochdruckraumrichtung kann eine separate Platte oder ähnliches vorgesehen sein.

Auch ist es vorgeschlagen, den Grundkreis des Nockens um einen definierten Betrag abzusenken, welcher Betrag einem Hubverlust (gewollter Leerhub) des Spielausgleichselements bei seiner beginnenden Hochdruckphase bis zum Verschließen der Ventilsitzbohrung durch die Kugel entspricht. Somit weisen Druckkolben und Gehäuse zueinander bei Überwindung des Leerweges durch die Kompressibilität des Hochdruckraumes anschließend eine Höhe auf, die bisherigen Höhen entspricht. Gleichzeitig sollen die Öffnungs- und Schließram pen der betreffenden Nocken um einen definierten Betrag erhöht werden, um Schwankungen des Hubverlustes während des Schließvorganges der Kugel durch fertigungsbedingte Toleranzen ihres Hubes und anderer Einflußgrößen auszugleichen. Da jedoch Druckkolben und Gehäuse bei Nockenhub durch das notwendige Auspressen einer definierten Menge an Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum relativ zueinander einsinken, wird die Schließrampe um den Betrag des Absinkens höher gestellt als die Öffnungsrampe.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist der Zweckmäßigkeit halber in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Spielausgleichs elements, so wie es beispielsweise in einen Tassen stößel eingebaut sein kann;

Fig. 2 ein entgegen der Schließrichtung mit einem Feder mittel beaufschlagtes Ventilmittel und

Fig. 3 und 4 im Diagramm einen zweckmäßigen Verlauf einer Öffnungs- und Schließrampe des betreffenden Nockens bei Anwendung der erfindungsgemäßen Mit tel.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein hydraulisches Spielausgleichselement 1. Dieses ist hier andeu tungsweise als integraler Bestandteil eines Tassenstößels 2 dargestellt. Der Tassenstößel 2 wird im Bereich seines Bodens 3 von einem nicht dargestellten Nocken einer Nockenwelle im Hubsinn beaufschlagt, wobei ein Gehäuse 4 des Spielausgleichselements 1 über seinen Boden 5 auf ein Ende eines Gaswechsel ventils 6 einwirkt. Innerhalb einer Bohrung 7 des Spielausgleichselements 1 verläuft axial beweglich zum Gehäuse 4 ein Druckkolben 8. Dieser Druckkol ben 8 ist mit seiner einen Stirnseite 9 gegen den Boden 3 abgestützt und schließt in seinem Inneren einen Vorratsraum 10 für Hydraulikmittel ein.

Zwischen einem Boden 11 des Druckkolbens 8 und dem Boden 5 des Gehäu ses 4 verläuft in Axialrichtung gesehen ein Hochdruckraum 12 für das Hydrau likmittel. Gleichzeitig steht der Hochdruckraum 12 mit dem Vorratsraum 10 über eine Ventilsitzbohrung 13 in hydraulischer Verbindung. Die Ventilsitzboh rung 13 wird auf der Seite des Hochdruckraumes 12 durch ein Ventilmittel 14 wie eine Kugel verschlossen. Gleichzeitig wird die Axialbewegung der Kugel 14 in Richtung zum Gaswechselventil 6 und innerhalb des Hochdruckraumes 12 durch ein Haltemittel 15 wie eine Kappe begrenzt. Dabei ist das Ventilmittel 14 innerhalb seiner dargestellten Schließposition und der strichliert gezeichneten Stellung frei beweglich und vorzugsweise nicht von einem Federmittel in Schließrichtung beaufschlagt.

Auf eine nähere Darlegung der Wirkungsweise eines derartigen Spielausgleichs elements 1 wird an dieser Stelle verzichtet, weil dies der Fachwelt hinreichend bekannt ist.

Nach der Erfindung ist der Kugel 14 hier eine Leerhubfunktion durch ihre geringe freie Axialbeweglichkeit zugeordnet. Dabei soll ein Durchmesser d_K der Kugel 14, ein Durchmesser d_d des Druckkolbens 8, eine Höhe h eines mögli chen Weges der Kugel 14 zwischen ihrer Ventilsitzbohrung 13 und dem Halte mittel 15 sowie eine seitliche Freigängigkeit s der Kugel 14 nach einem im Kennzeichnungsteil zum Anspruch 1 beschriebenen Verhältnis zueinander ausgebildet werden. Um jedoch unsinnige Größendimensionierungen auszu schließen, sind des weiteren Grenzbedingungen für die Auswahl der einzelnen Werte vorgeschlagen. Somit ist garantiert, daß zum einen bei Unrundheiten im Nockengrundkreis bzw. Transversalschwingungen der Nockenwelle und ande rem durch das "schwimmende" Ventilmittel 14 das Spielausgleichselement 1 eine Leerhubwirkung aufweist. Somit kommt es nicht zum "Verhärten" des Hochdruckraumes 12 während der unerwünschten Druckspitzen im Grundkreis mit einem dann evtl. festzustellenden unerwünschten Öffnen des Gaswechsel ventils. Zugleich ist gesichert, daß durch den erfindungsgemäß sehr gering eingestellten Hub h der Kugel 14 und deren sehr geringer Masse diese mit beginnender Öffnungsrampe A_N des Nockens, nach Überwindung des erfin dungsgemäß gewollten, definierten Leerhubes, sofort die Ventilsitzbohrung 13 verschließt, so daß dann das Spielausgleichselement 1 seiner normalen Spielaus gleichsfunktion nachkommen kann.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Kugel 14 entgegen ihrer Schließrichtung auch von einem. Federmittel 16 wie einer kegeligen Schraubenfeder beaufschlagt sein kann. Diese Maßnahme erweist sich insbesondere dann als sinnvoll, wenn das Spielausgleichselement 1 nicht parallel zur Lotrechten in die jeweilige Brenn kraftmaschine eingebaut wird. Bei diesem Zustand würde aufgrund der seitli chen Freigängigkeit der Kugel 14 diese eine stochastisch unterschiedlich lange Zeit brauchen, um mit beginnender Öffnungsrampe A_N des Nockens die Ventil sitzbohrung 13 zu erreichen. Somit zwingt das Federmittel 16 der Kugel 14 immer einen gleichmäßig langen Hub h auf. Dabei kann das Federmittel 16 eine kugelseitige Endwindung 17 aufweisen, die in ihrem Außendurchmesser d_v1 größer ist, als die benachbarten Endwindungen, jedoch kleiner als ein Durchmesser d_S der Ventilsitzbohrung 13. Hierdurch wird die Kugel 14 hervor ragend fixiert. Vorratsraumseitig kann eine andere Endwindung 19 der Kugel 14 an einem Anschlagmittel 18 wie einer Haltescheibe fixiert sein. Wie aus Fig. 2 weiter hervorgeht, ist die Endwindung 19 in ihrem Außendurchmesser d_v2 größer ausgebildet, als der kugelseitige Durchmesser der Ventilsitzbohrung 13.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in je einem stark vereinfachten Diagramm zweck mäßige Gestaltungen der Hubverläufe einer Öffnungs- und Schließrampe A_N, S_N des Nockens bei Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel.

Dabei geht es aus Fig. 3 näher hervor, daß vor der Öffnungsrampe A_N der Grundkreis G um den Betrag h_A1 abgesenkt ist. Durch diese Absenkung wird ein Hubverlust des Spielausgleichselements 1 bei seiner beginnenden Hoch druckphase bis zum Verschließen der Ventilsitzbohrung durch die Kugel 14 durch Nachgiebigkeit des gesamten Elements 1 ausgeglichen. Gleichzeitig ist die in Drehrichtung unmittelbar nachfolgende Öffnungsrampe A_N um einen Betrag h_A2 angehoben, um eine Schwankung des Hubverlustes während des Schließvorganges der Kugel 14 durch fertigungsbedingte Toleranzen und andere Einflußgrößen zu kompensieren. Eine analoge Anhebung bzw. Absenkung der Schließrampe S_N, welche dem Grundkreis G in Drehrichtung vorgeordnet ist, geht aus Fig. 4 hervor.

Nicht näher dargestellt ist, daß die Schließrampe S_N um einen kleinen Betrag höher ausgebildet wird als die Öffnungsrampe A_N, da es, wie vorbeschrieben, während des Hubes des Nockens zu einem gewissen Zusammensinken von Druckkolben 8 zu Gehäuse 4 kommt und dieses Zusammensinken ausgeglichen werden muß. Durch die Maßnahmen nach der Erfindung ist auch garantiert, daß die Öffnungs- und Schließrampe A_N und S_N nur so gering wie notwendig in ihrer Länge durch die Überhöhung vergrößert ist.

Bezugszeichenliste

d_d Außendurchmesser Druckkolben
d_s Durchmesser Ventilsitzbohrung
d_K Durchmesser Kugel
d_v1 Außendurchmesser kugelseitige Endwindung Federmittel
d_v2 Außendurchmesser ventilseitige Endwindung Federmittel
h möglicher Weg der Kugel zwischen Ventilsitzbohrung und Haltemittel
Δh halbe Toleranz des Abstandes der Kugel von Ventilsitzbohrung
h_max maximaler Abstand der Kugel von Ventilsitzbohrung
h_A1 Höhe Absenkung Grundkreis vor Öffnungsrampe A_N
h_A2 zusätzliche Höhe Öffnungsrampe A_N
h_A3 Höhe bisheriger Öffnungsrampe A_B
h_S1 Höhe Absenkung Grundkreis nach Schließrampe S_N
h_S2 zusätzliche Höhe Schließrampe S_N
h_S3 Höhe bisherige Schließrampe S_B
s seitliche Freigängigkeit Kugel
A_N Öffnungsrampe Nocken (neu)
A_B Öffnungsrampe Nocken (alt)
S_N Schließrampe Nocken (neu)
S_B Schließrampe Nocken (alt)
G Grundkreis
g Erdbeschleunigung
Bemerkung: alle Längenmaße in [mm]

1 Spielausgleichselement
2 Tassenstößel
3 Boden
4 Gehäuse, Element
5 Boden
6 Gaswechselventil
7 Bohrung
8 Druckkolben, Element
9 Stirnseite
10 Vorratsraum
11 Boden, Stirnseite
12 Hochdruckraum
13 Ventilsitzbohrung
14 Ventilmittel, Kugel
15 Haltemittel
16 Federmittel
17 Endwindung
18 Anschlagmittel
19 Endwindung
20 nicht vergeben
21 Ende
22 Stirnseite

Claims

1. Hydraulisches Spielausgleichselement (1), insbesondere für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem hohlzylindrischen Gehäuse (4), welches Gehäuse (4) an seiner einen Stirnseite (22) durch einen Boden (5) verschlossen ist und in seiner Bohrung (7) einen relativ zu diesem beweglichen Druckkolben (8) einschließt, zwischen dessen bodenseitiger Stirnseite (11) und dem Boden (5) ein Hochdruckraum (12) für Hydraulikmittel verläuft, der über einen vom Druckkolben (8) umschlossenen Vorratsraum (10) mit dem Hydraulikmittel versorgbar ist, wobei der hochdruckraumseitige Boden (11) des Druckkolbens (8) eine Ventilsitzbohrung (13) aufweist, welche auf der Seite des Hochdruck raumes (12) durch ein Ventilmittel (14) wie eine Kugel im Hochdruckfall ver schließbar ist, welche Kugel (14) in Richtung zum Hochdruckraum (12) von einem Haltemittel (15) in ihrem Weg begrenzbar ist und wobei eines der Elemente (Druckkolben 8 oder Gehäuse 4) zumindest mittelbar von einem oder mehreren Nocken einer Nockenwelle beaufschlagbar ist und das jeweils andere Element (4 oder 8) mit einem Ende wenigstens eines Gaswechselventils (6) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet,

- daß, in Axialrichtung gesehen, zwischen der Kugel (14) und dem Haltemittel (5) lediglich Hydraulikmittel angeordnet ist und
- daß folgende Beziehung eines Durchmessers (d_K) der Kugel (14), eines Außendurchmesser (d_d) des Druckkolbens (8), einer Höhe (h) eines mögli chen Weges der Kugel (14) zwischen ihrer Ventilsitzbohrung (13) und dem Haltemittel (15) sowie einer seitlichen Freigängigkeit (s) der Kugel (14) (orthogonal zur Axiallinie) gilt: d_K³ · d_d² · h · s/2 7 · 10²- wobeid_K³ 100, d_K³ · d_d² 1,5 · 10⁴ und d_K³ · d_d² · h 4 · 10³gewählt wird; wobei die Werte in [mm] zu berücksichtigen sind.

2. Spielausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schrägeinbau des Spielausgleichselements (1) zur Schwerkraftrichtung die Kugel (14) in Öffnungsrichtung durch ein mechanisches Federmittel (16) beaufschlag bar ist.

3. Spielausgleichselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (16) in seiner Kraft derartig ausgelegt ist, daß diese gleich oder größer der Massenkraft der Kugel (14) bei 10 g ist.

4. Spielausgleichselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für einen maximal möglichen Hub (h_max) der Kugel (14) zwischen Ventilsitzbohrung (13) und Haltemittel (15) gilt: h_max [mm] = h [mm] + Δh [mm] 0,3;wobei Δh durch eine halbe Toleranz des möglichen Hubes der Kugel (14) determiniert ist und wobei für ein Verhältnis h/Δh gilt:1,3 h/Δh 10.

5. Spielausgleichselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (16) als kegelige Schraubenfeder ausgelegt ist, welche in Richtung zur Kugel (14) sich verjüngend eingebaut ist.

6. Spielausgleichselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (16) am vorratsraumseitigen Ende (21) der Ventilsitzbohrung (13) an einem Anschlagmittel (18) wie einer Haltescheibe abgestützt ist.

7. Spielausgleichselement nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine kugelseitige Endwindung (17) des Federmittels (16) in ihrem Außen durchmesser (d_v1) größer als benachbarte Endwindungen hergestellt ist.

8. Spielausgleichselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den kugelseitigen Außendurchmesser der Endwindung (17) gilt: d_v1 [mm] d_S [mm] - s [mm];wobei d_S einen Durchmesser der Ventilsitzbohrung (13) darstellt und daß wahlweise für einen Außendurchmesser (d_v2) einer ventilseitigen Endwindung (19) des Federmittels (16) gilt:d_v2 [mm] d_S [mm].

9. Spielausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß in Drehrichtung des Nockens gesehen, ein unmittelbar vor seiner Öff nungsrampe (A_N) liegender Grundkreis (G) um einen Betrag (h_A1) abgesenkt ist, der einem Hubverlust des Spielausgleichselements (1) bei seiner begin nenden Hochdruckphase (Öffnungsrampe A_N) bis zum Verschließen der Ventilsitzbohrung (13) durch die Kugel (14) entspricht,
- daß die Öffnungs- und eine dem Grundkreis (G) in Drehrichtung vorgelager te Schließrampe (A_N, S_N) um einen Betrag (h_A2, h_S2) erhöht ist, der einer Schwankung des Hubverlustes während des Schließvorganges der Kugel (14) durch fertigungsbedingte Toleranz ihres Hubes (h) u. a. Einflußgrößen (moto rische) entspricht und
- daß die Schließrampe (S_N) um einen Betrag maximalen Einsinkens von Druckkolben (8) zu Gehäuse (4) bei Nockenhub höher hergestellt ist, als die Öffnungsrampe (A_N).